石墨烯基电导体及其制备方法与流程

本发明涉及一种石墨烯基电导体及其制备方法，特别是一种适用于电缆、传输线、变压器和电气设备的低电阻的石墨烯基电导体及其制备方法。

背景技术：

在大多数城市环境中的电力的运输和分配依赖于由传输线和配电网组成的电力网。电力传输是由发电厂向位于靠近需求中心的变电所的电力大转移。

但是，在电力的传输过程中，现有电力传输用的电导体的电阻较高，导致电能损耗较大，进而导致电力传输效率降低和电力网分布范围缩小。因此，现有用于电力传输的电导体存在着电阻较高、电能损耗较大、电力传输效率较低和导致电力网分布范围缩小的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种石墨烯基电导体及其制备方法。本发明不仅具有低电阻和电能损耗小的优点，还能够提高电力传输效率，扩大电力网分布范围。

本发明的技术方案：石墨烯基电导体，包括层状结构，层状结构包括交替设置的石墨烯层和衬底层，石墨烯层压缩在相邻2层衬底层之间。

前述的石墨烯基电导体中，所述石墨烯层压缩在相邻2层衬底层之间。

前述的石墨烯基电导体中，所述石墨烯层设置有1层，1层石墨烯层压缩在2层衬底层之间。

前述的石墨烯基电导体中，所述石墨烯层设置有2层以上，每层石墨烯层均压缩在相邻2层衬底层之间。

前述的石墨烯基电导体中，以所述层状结构构成导电体结构。

前述的石墨烯基电导体中，以所述层状结构作为导电条构成导电体结构。

前述的石墨烯基电导体中，将所述层状结构作为片材，切割该片材形成导电条。

前述的石墨烯基电导体中，所述导电体结构为导线，将多个导电条封装在护套内，然后通过拉拔形成导线。

前述的石墨烯基电导体中，将所述层状结构作为片材，通过轧制卷绕该片材来构成导电体结构。

前述的石墨烯基电导体中，所述导电体结构为导线，所述片材轧制卷绕后封装在护套内，形成导线。

前述的石墨烯基电导体中，所述片材轧制卷绕后封装在护套内，通过拉拔形成导线。

前述的石墨烯基电导体中，所述片材轧制卷绕后封装在护套内，通过挤压形成导线。

前述的石墨烯基电导体中，所述导电体结构为传输线束，围绕支撑结构或导体，轧制卷绕层状结构构成传输线束。

前述的石墨烯基电导体中，所述轧制卷绕层状结构，在轧制卷绕过程中还包括挤压处理。

前述的石墨烯基电导体中，所述层状结构的制备方法，为先将一层或多层石墨烯颗粒与一层或多层衬底层进行层叠，形成石墨烯颗粒层与衬底层交替连接的片状结构；然后压缩片状结构，使2层衬底层之间的石墨烯颗粒压缩排列(compress and align)形成石墨烯层。

前述的石墨烯基电导体中，所述压缩片状结构包括使用施加垂直和平行于石墨烯层的分力的机械变形工艺来使片状结构机械变形。

前述的石墨烯基电导体中，所述机械变形工艺为辊轧、挤压或拉拔中的任意一种或多种。

前述的石墨烯基电导体中，所述层叠包括一次或多次重复地在一层衬底层上沉积一层石墨烯颗粒；然后将一层衬底层层叠在一层石墨烯颗粒上；或者将多层沉积石墨烯颗粒的衬底层层叠后，将一层衬底层层叠在顶层石墨烯颗粒上；形成石墨烯颗粒层与衬底层交替的片状结构。

前述的石墨烯基电导体中，所述在一层衬底层上沉积一层石墨烯颗粒，为使用粉末沉积、印刷、喷漆、涂覆或流延成型中的任意一种或多种处理方法将石墨烯颗粒沉积在衬底层上。

前述的石墨烯基电导体中，所述压缩片状结构包括一次或多次反复的压缩片状结构，使片状结构进行一次或多次反复地机械变形。

前述的石墨烯基电导体中，所述使片状结构进行一次或多次反复地机械变形，还包括将片状结构进行退火处理。

前述的石墨烯基电导体中，所述石墨烯层包括石墨烯薄片。

前述的石墨烯基电导体中，所述衬底层包括金属、聚合物或其他材料中的任意一种或多种。

一种石墨烯基电导体的制备方法，该方法是先将一个或多个石墨烯层与两个或多个衬底层进行层叠，形成石墨烯层和衬底层交替连接的片材；然后压缩片材，使石墨烯层压缩在2层衬底层之间，形成层状结构，得石墨烯基电导体。

前述的制备方法中，所述压缩片材，包括使用施加垂直和平行于石墨烯层的分力的机械变形工艺来使片状结构机械变形。

前述的制备方法中，所述机械变形工艺，为辊轧、挤压或拉拔中的任意一种或多种。

前述的制备方法中，所述层叠包括一次或多次重复地在一层衬底层上沉积一层石墨烯层；然后将一层衬底层层叠在石墨烯层上；或者将多层沉积石墨烯层的衬底层层叠后，将一层衬底层层叠在顶层石墨烯层上；形成石墨烯层与衬底层交替的片材。

前述的制备方法中，所述在一层衬底层上沉积一层石墨烯层，为使用粉末沉积、印刷、喷漆、涂覆或流延成型中的任意一种或多种处理方法将石墨烯层沉积在衬底层上。

前述的制备方法中，所述压缩片材包括一次或多次反复的压缩片材，使片材进行一次或多次反复地机械变形。

前述的制备方法中，所述使片材进行一次或多次反复地机械变形，还包括对片材进行退火处理。

前述的制备方法中，所述石墨烯层包括石墨烯薄片或石墨烯薄膜(Graphene Sheets)。

前述的制备方法中，所述衬底层包括金属或其他材料的聚合物中的任意一种或多种。

前述的制备方法中，所述形成层状结构，以层状结构构成导电体结构，得石墨烯基电导体。

前述的制备方法中，所述以层状结构构成导电体结构，为将层状结构切割成多个导电条，排列多个导电条，将排列好的多个导电条结合到导电体结构中，形成包括多个导电条的导电体结构，得石墨烯基电导体。

前述的制备方法中，所述排列多个导电条，为采用堆叠、集束(捆绑)、层叠(分层)或编织中的任意一种或多种方式进行多个导电条的排列。

前述的制备方法中，所述导电体结构为导线，所述形成包括多个导电条的导电体结构的步骤为，将排列好的多个导电条插入管状的护套内，然后拉拔成导线，得石墨烯基电导体。

前述的制备方法中，所述拉拔成导线，为拉动管状的护套，使其通过一组拉模，进行拉拔，形成导线。

前述的制备方法中，所述拉拔成导线，将多个导线集束成传输线电缆，得石墨烯基电导体。

前述的制备方法中，所述拉拔成导线，轧制导线形成导电条带，得石墨烯基电导体。

前述的制备方法中，所述轧制导线形成导电条带，将导电条带围绕导体缠绕，形成传输线束，得石墨烯基电导体。

前述的制备方法中，所述以层状结构构成导电体结构，为将层状结构作为片材，通过轧制卷绕片材来构成导电体结构。

前述的制备方法中，所述通过轧制卷绕片材来构成导电体结构，为先轧制卷绕片材，然后将轧制卷绕后的片材封装到护套内，得石墨烯基电导体。

前述的制备方法中，所述将轧制卷绕后的片材封装到护套内，通过拉拔形成导线，得石墨烯基电导体。

前述的制备方法中，所述导线通过轧制形成导电条带，得石墨烯基电导体。

前述的制备方法中，所述形成导电条带，将导电条带围绕导体缠绕形成传输线束，得石墨烯基电导体。

前述的制备方法中，所述导电体结构为传输线束；所述以层状结构构成导电体结构，为围绕支撑结构或导体轧制卷绕层状结构形成传输线束，得石墨烯基电导体。

前述的制备方法中，所述轧制卷绕层状结构，在轧制卷绕过程中还包括挤压处理。

与现有技术相比，本发明设计了一种石墨烯基电导体及其制备方法，通过交替设置的石墨烯层和衬底层来形成层状结构，并将石墨烯层压缩在相邻2层衬底层之间；通过压缩，使相邻2层衬底层之间的石墨烯层中的石墨烯颗粒进行排列、对齐，提高了各个石墨烯颗粒之间的接触，从而降低了电阻，提高了导电性能，减少了电能损耗，进而提高了电力传输效率，扩大了电力网分布范围；通过设置衬底层，能够对石墨烯层中的石墨烯颗粒提供支撑作用，方便石墨烯颗粒在压缩时沿着衬底层进行排列，不仅方便压缩处理，还能够进一步提高排列、对齐的效果，提高各个石墨烯颗粒之间的接触，降低电阻，且还能够在层状结构用于构成导电体结构是起到支撑作用，方便层状结构的应用。本发明的层状结构具有整体电阻低和石墨烯层的高电导路径，通过整体电阻低能够减少电阻引起的电能损耗，通过石墨烯层的高电导路径还能够限制温度的影响和抑制“集肤效应”，能够使输电线路的电力传输效率提高5％以上，在整个国家范围内能够节省大量的成本和能量，如2015年中国的电能消耗在5500TWh，使用本发明的技术方案即可节省电能275TWh，节省的电能比2015年整个澳大利亚的电能消耗还要多，即使用本发明的技术方案在中国1年内节省的电能够整个澳大利亚全年使用。本发明通过施加垂直和平行于石墨烯层的分力的机械变形工艺来使片状结构机械变形，从而完成石墨烯层的压缩，同时使用压缩力(垂直石墨烯层的分力)和剪切力(平行于石墨烯层的分力)对石墨烯层进行压缩排列，能够产生石墨烯颗粒高度密集、排列整齐且完全接触的石墨烯层，最大限度地降低了电阻，显著改善了电力传输性能，特别适用于大规模的电力传输。因此，本发明不仅具有低电阻和电能损耗小的优点，还能够提高电力传输效率，扩大电力网分布范围，方便压缩处理。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明优选方案的结构示意图；

图3是压缩石墨烯层的原理图；

图4是层状结构作为导电条构成的导电体结构的示意图；

图5是层状结构通过轧制卷绕来构成的导电体结构的示意图；

图6是使用的层状结构来改善电气传输线的原理图；

图7是使用的层状结构改善电气传输线的截面图；

图8是使用绝缘聚合物层压缩石墨烯层的原理图。

附图中的标记为：1-石墨烯层，2-衬底层，3-层状结构，4-轧辊，5-护套，6-金属芯，7-绝缘聚合物层，8-保护层。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例。石墨烯基电导体，构成如图1至8所示，包括层状结构3，层状结构3包括交替设置的石墨烯层1和衬底层2，石墨烯层1压缩在相邻2层衬底层2之间。

所述石墨烯层1压缩在相邻2层衬底层2之间；所述石墨烯层1设置有1层，1层石墨烯层1压缩在2层衬底层2之间；以所述层状结构3构成导电体结构；以所述层状结构3作为导电条构成导电体结构。

可以将所述层状结构3作为片材，切割该片材形成导电条；进一步地，将多个导电条封装在护套5内，然后通过拉拔形成导线。

或者，可以将所述层状结构3作为片材，通过轧制卷绕该片材来构成导电体结构；进一步地，将片材轧制卷绕后封装在护套5内，形成导线；进一步地，将片材轧制卷绕后封装在护套5内，然后通过拉拔形成导线；或者，将片材轧制卷绕后封装在护套5内，然后挤压形成导线。

或者，可以围绕支撑结构或导体，轧制卷绕层状结构3来构成传输线束，以传输线束作为导电体结构；进一步地，在轧制卷绕层状结构3的过程中还包括挤压处理。

所述层状结构3的制备方法，为先将一层或多层石墨烯颗粒与一层或多层衬底层2进行层叠，形成石墨烯颗粒层与衬底层2交替连接的片状结构；然后压缩片状结构，使2层衬底层2之间的石墨烯颗粒压缩排列形成石墨烯层1。

所述压缩片状结构包括使用施加垂直和平行于石墨烯层的分力的机械变形工艺来使片状结构机械变形；所述机械变形工艺为辊轧、挤压或拉拔中的任意一种或多种。

所述层叠包括一次或多次重复地在一层衬底层2上沉积一层石墨烯颗粒；然后将一层衬底层2层叠在一层石墨烯颗粒上；或者将多层沉积石墨烯颗粒的衬底层2层叠后，将一层衬底层2层叠在顶层石墨烯颗粒上；形成石墨烯颗粒层与衬底层2交替的片状结构；其中的沉积步骤，是使用粉末沉积、印刷、喷漆、涂覆或流延成型中的任意一种或多种处理方法将石墨烯颗粒沉积在衬底层2上。

所述压缩片状结构包括一次或多次反复的压缩片状结构，使片状结构进行一次或多次反复地机械变形；进一步地，在机械变形中，还包括将片状结构进行退火处理。

所述石墨烯层1包括石墨烯薄片或石墨烯薄膜(Graphene Sheets)；所述衬底层2包括金属、聚合物或其他材料中的任意一种或多种。

一种石墨烯基电导体的制备方法，如图1至8所示，该方法是先将一个或多个石墨烯层1与两个或多个衬底层2进行层叠，形成石墨烯层1和衬底层2交替连接的片材；然后压缩片材，使石墨烯层1压缩在2层衬底层2之间，形成层状结构3，得石墨烯基电导体。

所述压缩片材，包括使用施加垂直和平行于石墨烯层1的分力的机械变形工艺来使片状结构机械变形；所述机械变形工艺，为辊轧、挤压或拉拔中的任意一种或多种。

所述层叠包括一次或多次重复地在一层衬底层2上沉积一层石墨烯层1；然后将一层衬底层2层叠在石墨烯层1上；或者将多层沉积了石墨烯层1的衬底层2层叠后，将一层衬底层2层叠在顶层石墨烯层1上；形成石墨烯层1与衬底层2交替的片材；所述沉积步骤，是使用粉末沉积、印刷、喷漆、涂覆或流延成型中的任意一种或多种处理方法将石墨烯层1沉积在衬底层2上。

所述压缩片材包括一次或多次反复的压缩片材，使片材进行一次或多次反复地机械变形；进一步地，在机械变形中，还包括对片材进行退火处理。

所述石墨烯层1包括石墨烯薄片或石墨烯薄膜(Graphene Sheets)；所述衬底层2包括金属、聚合物或其他材料中的任意一种或多种。

所述形成层状结构3后，以层状结构3构成导电体结构，得石墨烯基电导体；进一步地，将层状结构3切割成多个导电条，排列多个导电条，将排列好的多个导电条结合到导电体结构中，从而以层状结构3构成导电体结构，形成包括多个导电条的导电体结构，得石墨烯基电导体；进一步地，所述排列多个导电条，为采用堆叠、集束、层叠或编织中的任意一种或多种方式进行多个导电条的排列。

所述导电体结构为导线，所述形成包括多个导电条的导电体结构的步骤为，将排列好的多个导电条插入管状的护套5内，然后拉拔成导线，得石墨烯基电导体；进一步地，所述拉拔成导线，为拉动管状的护套5，使其通过一组拉模，进行拉拔，形成导线；进一步地，拉拔成导线后，将多个导线集束成传输线电缆，得石墨烯基电导体；或者，拉拔成导线后，轧制导线形成导电条带，得石墨烯基电导体；或者，轧制导线形成导电条带后，将导电条带围绕导体缠绕，形成传输线束，得石墨烯基电导体。

所述以层状结构1构成导电体结构，为将层状结构1作为片材，通过轧制卷绕片材来构成导电体结构；所述通过轧制卷绕片材来构成导电体结构，为先轧制卷绕片材，然后将轧制卷绕后的片材封装到护套5内，得石墨烯基电导体；或者，所述将轧制卷绕后的片材封装到护套5内后，通过拉拔形成导线，得石墨烯基电导体；或者，所述导线通过轧制形成导电条带，得石墨烯基电导体；或者，所述形成导电条带后，将导电条带围绕导体缠绕形成传输线束，得石墨烯基电导体；或者，所述导电体结构为传输线束；所述以层状结构1构成导电体结构，为围绕支撑结构或导体轧制卷绕层状结构1形成传输线束，得石墨烯基电导体；进一步地，所述轧制卷绕层状结构1，在轧制卷绕过程中还包括挤压处理。

本发明“围绕支撑结构或导体”中的支撑结构为支撑结构为钢丝芯线或其他高强度金属芯线或支撑管等，如钢芯铝绞线中的钢丝芯线，铝管支撑耐热铝合金扩径导线中的铝管。本发明中的石墨烯薄片是指工业生产的石墨烯粉体，由于工业生产的石墨烯粉体基本以石墨烯薄片形式为主，石墨烯薄片的尺寸范围等于工业生产的石墨烯粉体的尺寸范围。本发明中的“金属、或其他材料的聚合物”是指金属材料、聚合物(高分子材料)或者除了金属和聚合物外的其他类型材料(有机或无机材料)；例如，其他材料可以是陶瓷材料。

工作原理：本发明利用一个或多个在2层衬底层2之间压缩单层石墨烯层1形成层状结构3，研制出低电阻、高性能的电导体。这种层状结构3可与传统的导电材料结合或取而代之，如传输线的导体结构中使用。这一实例还可应用于微电子器件的电导体上，以及包括高性能变压器和电动机的其他设备。

石墨烯是一种单一原子层厚度的石墨，它是一种丰富的矿物。它是由碳原子紧密结合组织成六角形晶格的碳的同素异构体。石墨烯以其独特的原子厚度的sp2杂化轨道性质，使其在导电性，热传导和强度方面有着显著的优势。特别是，石墨烯是一种具有很高的电导率的零重叠叠半金属。

石墨烯的电导率为1×108S/M，这是因为其具有200000cm2/V·S的电子迁移率以及1012/cm2的载流子密度。它是自然中室温下的最高的导电率。表1中列出了最常用的高导电性材料的电阻率和导电性；其表明石墨烯的电导率比银高37％，比铜高40％，比铝高62％；特别是，石墨烯做为电导体可以携带的电流密度高于铜6个数量级而它的重量比铝轻40％。如下表所示

表1各种材料的电阻率和电导率

高的导电性使石墨烯在电导体中使用在从理论上是可取的，但目前所生产的石墨烯颗粒远不太适合于大规模的实际制造以及在导电体中的用途。石墨烯中的碳键的共价性质使得石墨烯难以连接和成型。

一个已知的方法，旨在提高材料的电性能，在物理冶金过程中(如熔化和铸造)直接向铜或铝中添加石墨烯或碳纳米管，形成由金属和团簇的石墨烯(或碳纳米管)组成的复合材料。然而，这个过程的一个问题是，所形成的材料包括金属和石墨烯(或碳纳米管)的混合相，而石墨烯在金属内容易形成团聚。由于金属和石墨烯之间的不同的重量密度，用已知的冶金工艺形很难形成石墨烯均匀分布的金属材料，从而使其难以实现电导的增强。事实上，使用常用的冶金方法在改善电性能方面是无效的。这是由于石墨烯/或碳纳米管在材料中形成的夹杂物(团聚)，从而未能有效地提高导电性。此外，电感是使用这种材料的传输线中的一个问题，电感被认为是由于团聚的形成导致导体结构不一致。

大多数用于工业级的石墨烯是从几纳米到几百微米甚至厘米级的薄片状或粉末状的石墨烯。电流在是在石墨烯一个原子平面上进行传输。然而，制造和塑造一个大规模的石墨烯产品是极其困难的。碳键的共价性质决定了石墨烯薄片很难融合成形形成产品，尤其是大规模批量产品。

一般来讲，石墨烯每个碳原子有6个电子，其中有2个内层电子，4个外层电子。这4个外层电子可用于化学键合，但是在石墨烯中，每个碳原子都与二维原子层上的其他三个原子相连，在三维电子导电中只有1个自由电子。这些高度移动电子位于上下石墨烯片层之间，且类似金属中的自由电子，这类电子可以在这两个电线的缠绕端从一个金属线转移到另一个金属线或者从部分重叠的两个金属板间转移，如果两个石墨烯片是在彼此接触，这些自由电子可通过电子间相互作用在石墨烯片的表面上可以迁移到另一个石墨烯片。由于石墨烯薄片的结构，建立良好的接触是一个问题。

石墨烯是具有原子尺度二维蜂窝状晶格的碳的一种同素异构体。通过透射电子显微镜图像发现，在大多数情况下，工业生产石墨烯颗粒具有皱纹的板状或片状结构。在整个下面的描述中，石墨烯颗粒、石墨烯片或石墨烯片或石墨烯板/片均指二维石墨烯颗粒，这是典型的具有片状或鳞片状结构。石墨烯薄片和石墨烯鳞片是指大小不同的二维石墨烯颗粒，例如，石墨烯薄片或鳞片的实际尺寸可以根据生产方法的不同而有很大的不同，均适用于本发明实施例中的任何一种。“石墨烯”一词在整个规范中使用，指的是任何二维石墨烯粒子。通过透射电子显微镜图像发现，相邻的石墨烯片可能只有几个接触点，石墨烯颗粒之间的接触非常差，在大范围内的导电率和电流密度非常低。本发明之前报导的石墨巴基纸最高的导率约55088S/M，远不如理论单原子层的石墨烯片的导电性。

本发明已经开发出提高石墨颗粒之间的接触的工业应用技术，从而提供了具有改进性能的复合石墨烯导体结构且适用于一系列的实际应用。本发明的层状结构3可以是一个单一的石墨烯层或多层石墨烯层结构。多层石墨烯层结构3包括二个或多个交替压缩的石墨烯层1和衬底层2。层状结构3是由一个或多个石墨烯层1与一个或多个衬底层2，形成一个衬底层2和石墨烯层1交替的结构。然后，使用压缩方法进行压缩，通过压缩改变石墨烯层1中石墨烯颗粒的排列。这种排列和压缩的石墨烯颗粒提高了石墨烯颗粒之间的接触，从而提高了导电性能。此外，衬底层2还可以作为支撑框架，起到支撑的作用，以便进一步形成层状结构3以及构成电导体结构，包括传统电线和传输线的结构。

形成层状结构3时，将一层石墨烯层1沉积在一个衬底层2的表面，再将一层衬底层2放置在石墨烯层1的上面；如果一个单一的石墨烯层1就能满足需求，则层叠过程结束，形成包括一层石墨烯层1的层状结构；如果需要多层石墨烯层1，则将第二层石墨烯层1沉积在第二层衬底层2的表面，进行循环，直至设置好需要的石墨烯层1数量后，将最后一层衬底层2放置在顶层的石墨烯层1上面即可，形成包括2层以上石墨烯层1的层状结构3；最后将层状结构3进行压缩，通过压缩来改进结晶的取向，使石墨烯层内的各个石墨烯颗粒之间接触良好，从而提高了电性能，降低了电阻。

由于石墨烯板/片尺寸在纳米级至厘米级，很难在一个可见的规模实验证明本发明的概念性工作。为了明确基本原则，使用铝箔进行演示和说明，通过了解皱纹的石墨烯板/片的接触如何影响电传输来证明本发明取得的技术效果。设置两张接触不良的起皱铝箔，在这两张铝箔之间测量电阻，得电阻为1.18欧姆。根据本发明的方法，进行对比实验，通过施加一个压缩力改善两张铝箔之间的接触，使两张铝箔之间有更多的表面接触(接触良好)，进一步施加一个力以平复褶皱的铝箔，也就是施加平行于铝箔的力以将铝箔表面平整，同时施加一种压力使两张铝箔并在一起且在重叠区域上形成表面接触；然后，在这两张铝箔之间测量电阻，在测量仪器的测量精度范围内，两个铝箔间的电阻降低到0欧姆。

本发明的压缩力(垂直)和剪切力(平行)可以通过一个机械变形过程实现，例如轧制。机械变形会导致石墨烯层中的皱纹变平，同时粒子移动或流动，以更好地对准任何残留的皱纹，将点接触变为面接触，改善接触。单独的压缩可能会导致一些颗粒的排列和皱纹的平坦化，从而改善电特性。但是，本发明通过使用垂直和平行于石墨烯层的力的组合，可以获得更优异的电特性。

机械变形可提供强大的压缩力和垂直于压缩力的剪切力，施加在皱纹的石墨烯板/片可以显着改善石墨烯颗粒的接触。本发明采用交替设置的衬底层2和石墨烯层1，能够利用衬底层2提供一个支撑结构，方便石墨烯层1能够使用已知的机械变形设备和工艺进行压缩的处理，方便石墨烯层1沿着衬底层2进行压缩、排列和对齐，进一步提高了石墨烯层1中的石墨烯颗粒之间的接触。

在一般情况下，还可以选用很多的机械变形方法来产生本发明中的垂直和平行力分量(压缩力和剪切力)。例如，通过轧辊4来提供这两个力(如图3所示)。在这种机械的变形过程，压缩力是由轧辊4之间的小于层状结构1材料厚度的间隙产生的；通过轧制过程中驱动衬底层2的伸长或运动的诱导力，能够作为平行于层状结构3表面且垂直于压缩力的剪切力。剪切力能够抚平石墨烯皱纹，同时改善了石墨烯颗粒的排列。剪切力还可以提高石墨烯颗粒与石墨烯颗粒或衬底层2之间的对准和接触，因此，当衬底层2为导电金属材料时，可提高石墨烯1层和衬底层2之间的界面处的导电性。虽然用轧辊4作为一个例子，其他方法也会被用到，例如，挤出和拉伸也可施加垂直和平行力分量(压缩力和剪切力)。一个轴向压力也可以产生这些力，但由衬底层2变形引起的平行于表面的力是非常有限的，效果不理想。

在本发明的一些实施例中，石墨烯颗粒(膜/片)在衬底层2上分层。石墨烯可以在衬底层2上通过涂层，印刷，磁带铸造，或其他沉积过程中分层。该衬底层2可以是材料的箔或薄片。衬底层的材料可为铝、铜、银、金、铂、合金等材料。虽然这个例子使用一个金属衬底层进行轧制，但任何合适的材料都可以用来作衬底层2。在这里讨论的例子中，导电金属被使用，但其他金属或金属合金也可以作为衬底层2的材料。然而，衬底层2的材料不一定需要是金属的。此外，由于每个石墨烯层1是导电的，衬底层2的材料可以是导电的或不导电的。衬底层2可以根据制造工艺的要求进行选择；例如，衬底层2材料的选择可能会受到所需的机械性能的限制；例如选择一种适用于轧制、拉伸或挤压的材料。可替代或增加衬底层2的选择需要考虑最终导体产品的终端产品及其操作环境而不是材料的电性能。例如，适用于

在海洋环境中使用的导体，可利用聚合物材料的衬底层2以尽量减少或消除腐蚀风险。生物相容性的聚合物材料的衬底层2用于植入式医疗器械中的导体材料。衬底层2的材料选择也可能考虑到结合层状结构3的复合结构产品的生产要求，该要求可以是基于进一步的处理技术，以及最终产品的要求。结合层状结构3的复合结构产品的工业规模化生产可以通过使用已知的技术来实现，如辊对辊印刷/涂层，或流延成型等技术。例如，辊对辊印刷/涂层技术可利用槽模系统、刀系统、雕刻辊系统，点动系统、微辊系统、丝网印刷系统，纳米压印系统和喷墨系统等多种技术来实现。石墨烯层1可以用紫外线辐射来去除溶剂和其他有机物质，例如在涂层，印刷或沉积过程需要用到的溶剂等。石墨烯层1也可以在随后的过程中进行热处理，温度范围从50℃到一个合适的温度内，这取决于衬底层2的材料，以除去不需要的物质，包括水分，气体或空气，以及不能通过紫外线辐射去除的杂质。例如，对于铝，温度可以从50℃到550℃，而对于银，它可以从50℃到850℃。

一种普通的箔纸，例如，一个铝箔，可以作为一个盖在单层石墨烯层的顶部或者多层石墨烯层中顶层石墨烯层的顶部，形成层状结构。位于顶部的衬底层是可选的，层状结构还可以是将石墨烯层作为顶层的结构。这种结构的石墨烯层适用于在后续加工中增加屏蔽层和/或绝缘层的电缆产品。

在上面讨论的例子中，描述了一种层叠方法建立层状结构3的方法。然而，替代方法也可以被使用。比如说，石墨烯层1可沉积在多个衬底层2上，随后将其堆叠在另一个顶部形成交替层，最后用一个普通的衬底层2作为顶层的衬底层2。

所制备的层状结构3通过施加机械力压缩和排列石墨烯层1内的颗粒。在一个实施例中，这是由层状结构3的实质性机械变形所执行的。施加的力是一种压缩力同时在一些实施例中，机械力可以包括与层垂直(压)和平行(剪切)的分量。在一个实施例中，层状结构3是由精确的辊轧机与一系列的优化的变形率进行轧制，如图3所示。将层状结构3输入到一个辊磨机内(2个轧辊4之间)。通过轧辊4按照辊间设定的变形率对输入的层状结构3进行机械变形；使输出的层状结构3将相对于输入的层状结构3减薄。很明显这样的轧制过程适用于通过使用垂直和平行力分量的组合将层状结构3压缩和伸长，使石墨烯颗粒扁平化和在石墨烯层1内对齐排列。

这样的轧制过程通过几个道次，使用可控的变形率，以达到最终的层状结构3的目标厚度。例如，在一个实施例中变形量可在5％到40％之间调整。变形率取决于衬底层2的材料以及衬底层2和石墨烯层1组成的层状结构3的初始厚度。在轧制过程中，通过控制变形率来避免由于交替材料以及衬底层2材料与石墨烯之间不同的流变率所引起的“香肠状”或“波浪状”变形结构。

在轧制过程中，可以通过间隔退火释放机械变形所造成应力或工作硬化，同时也是必要的，退火是为了释放机械变形所造成应力或工作硬化。在一般情况下，退火温度选择在衬底层2的材料熔化温度的0.35至0.4倍；例如，铝的退火温度为250℃。退火步骤可以在每一道次机械变形之后或者机械变形道次之间的交替的时间间隔中进行；例如，在经过一组迭代变形后。机械变形迭代与退火的模式可以在基于衬底层2材料的实施例之间变化，如压缩过程和压缩程度/机械变形(累积或迭代变形率)。机械变形程度取决于层状结构3的初始厚度以及成品轧制后的最终厚度决定的。通常情况下，较大的机械变形量可以导致一个更好的晶体排列取向以及更好的石墨烯片或薄片接触。

在本发明的一些实施例中，机械变形步骤可以在层状结构3进一步结合形成一个电导体结构的过程中进行。例如，在进一步处理中涉及一个步骤，即通过足够的变形施加到层状结构3，导致层状结构3中的石墨烯颗粒有序排列。实例的过程中可能通过挤出涂层，冲压，轧制或拉丝等应用来实现足够的压缩。

压缩石墨烯层1和衬底层2的多层交替结构形成的层状结构3可以进一步处理作为电导体应用。例如，基于预期的应用，一个层状结构3可以被切成不同宽度的条状结构，然后作为一个高性能的电导体。例如，层状结构3可以插入或粘附到支撑结构上，以提供与现有装置兼容的电导体。另外，可进一步将层状结构3应用于形成电导体结构，例如导电线或导电带。例如，层状结构3可以卷起成圆筒状，作为导电体的导线或棒。切割层状结构3形成的条状结构或圆筒状的层状结构3也可以被填充到金属管(护套5)内，例如一个铝管；还可以进一步进行机械变形，例如，使用拉丝形成导线。电线也可以任意地轧制以形成导电带。特别的是，这样的电线和磁带可能有许多不同的应用，可以根据目标应用在尺寸和结构上适当改变。

本发明实施例的层状结构3的一个应用是高性能输电线路的形成。

在本发明的一个实施例中，结合层状结构3形成导线，按照上面所讨论的实施例，可取代目前使用的金属导电丝，如铜、铝，进而生产高性能的输电线路。层状结构3形成的导线可以用来代替传输线束中的部分或全部的电导体。这样的传输线可以使用已知的技术产生。例如，已知的传输线生产技术包括在导体芯线周围集束增强的钢芯铝绞线(ACSR)和全铝合金绞线(AAAC)技术，ACSR和AAAC之类的复合芯导线的增强结构为导体芯，例如碳纤维或玻璃纤维芯，传输电流的导线绞合在承载芯线周围。在本发明的实施例中，导电丝(传统上是铝或铜)被上面所讨论的层状结构3支撑的丝所取代。本发明的层状结构3制成丝状，可以被纳入任何已知的传输线结构。

虽然上述实施例利用层状结构3制成的导线为传输线束中的所有导线，但其预想也可以用混合结构，即在传输线束中引入多个不同类型的导线。

用层状结构3制成的电导体的优点，可以包括减少电阻损耗，限制温度的影响和抑制“集肤效应”，能提高输电线路的电能传输效率5％以上。这意味着在整个国家范围内节省大量的成本和能源。例如，2015年中国的电能消耗在5500TWh，提高输电线路的电能传输效率5％以上，即可将电能消耗减少5％以上，即为节约能耗275TWh以上，比2015年整个澳大利亚的电能消耗(248TWh)还要多。因此，本发明的影响是极为显著的。

可选择实施例的层状结构3应用于现有的传输线结构，以提高电气性能。在一个例子中制备出的层状结构3可用来增强架空导线和地下传输线的电导率、电流密度以及导热性。在一个架空裸线的实施例中，作为生产的带形的单层石墨烯/金属(铝、铜、银、合金和其他导电材料)复合材料交替的层状石墨烯/金属(铝、铜、银、合金和其他导电材料)层状结构3可以用于螺旋缠绕在输电线路表面，如图6、7所示。这可以经济地、有效地增强现有的或新建的架空线或地下传输线线导体芯。这样的技术也可以克服的石墨烯直接涂覆在架空传输线的表面上的粘合性问题。

在一个用于敷设传输线的应用的实施例中，由单层石墨烯涂覆在衬底层2上，衬底层2为可导电或非导电材料；或者，多层石墨烯/衬底交替结构，其中衬底层2是导电材料；制成地复合材料也可以螺旋缠绕在传输线的金属芯表面。在这一实施例中，层状结构3可通过辊轧变形或不变形进行制备。没有轧制过程的层状结构3中石墨烯的结构可以通过在包覆在层状结构3周围的绝缘聚合物层7的挤出过程形成大的横向应力产生，如图8所示。这样的处理可以产生高性能的地下输电线路。

利用本发明的实施例，使用高导电性的石墨烯形成具有层状结构3的石墨烯/金属复合材料的高性能电导体，来增加输电线路的导电性。这样的电导体具有带或胶带的形状，可用于螺旋缠绕在现有或新的输电线路的表面提高导电性和导热性。

本发明的层状结构3具有高的导电性，可合并成各种电导体结构，如传输线、电线、导电板和其他结构的应用。石墨烯与金属的衬底层2组成的层状结构3的性能包括低整体阻力和通过石墨烯层的更高的电导路径。可以减少导体的电阻引起的整体能量损失。通过石墨烯层1的更高的电导路径可抑制“集肤效应”。这一结构比传统导体有较低的温度效应。当考虑到这样的导体在输电线路中的应用，电能传输效率增加了百分之几将在整个国家范围内节省大量的成本和能源。

电流在石墨烯的原子平面内运输。然而，制造和塑造一个大型石墨烯产品是非常困难的。在一般情况下，所合成的石墨烯片是不平坦，由大量的褶皱，导致了石墨烯片之间接触很差。通过本发明的制备方法，我们可以产生高度密集，排列整齐，完全接触的石墨烯层1，从而显著改善大规模的电气路径。

值得注意的是，用于实施本发明实施例添加的石墨烯可以通过各种不同的方法生产。本发明的优点是任何工业生产的石墨烯产品可用于本发明的实施例。石墨烯薄片的实际尺寸由于生产方法的不同而有很大的不同，这些均适用于本发明的实施例。例如，一种生产方法采用大功率超声波探头剥离多层石墨烯颗粒来生产单原子厚度石墨烯片。其他方法也可以制备单原子层厚度石墨烯薄片。一些石墨烯是通过金属催化剂上沉积碳来制备，因此单原子的石墨烯在厘米范围内。虽然这种技术可能不适合工业生产或者正在进行商业石墨烯生产的申请，这样的石墨烯片可用于本发明的实施例中。在一些实施例中，多层石墨烯颗粒也可以被使用，强烈的机械变形引起的剪切力也可以将多层石墨烯剥离为单原子层的石墨烯，同时也被机械变形对齐和压缩。

商业应用不仅是用于电力传输线和微电子器件的电导体，也包括高性能变压器和电动机等其他设备。

对熟练掌握本发明技术的人来说，可以在不背离本发明的精神和范围的同时进行许多修改。

在以下声明和本发明的前面的描述中，除非上下文需要以其他原因表示语言或必要的含义，“包括”或“包括”或“包括”的变化是用在一个包容性的意义，即指定的存在，但不排除在本发明的各种实施例中的存在或进一步的功能。

可以理解为，在澳大利亚或其他任何国家，如果任何先前出版物中提及此项，这样的引用并不能构成该出版物在技术中的共同知识的一部分。